第六章 厌氧生物处理( bear)

第六章厌氧生物处理法第一节厌氧生物处理法概述1.1厌氧生物处理技术的发展1.2厌氧生物处理法的基本原理1.3厌氧生物处理的影响因素1.4厌氧生物处理法的特点1.5厌氧生物处理法的分类第二节：上流式厌氧污泥床（UASB）反应器第三节：厌氧微生物的培养和驯化第四节：厌氧生物处理的运行管理第一节厌氧生物处理技术概述1.1厌氧生物处理技术的发展1896年英国出现了一座用于处理生活污水的厌氧消化池。随后的近一个世纪内，厌氧生物处理技术经历了从处理有机污泥、到处理高浓度有机工业废水，到处理低浓度污水（如城市污水），以及从常温条件下到控温（中温和高温）。20世纪70年代初期，G.Lettinga成功开发上流式厌氧污泥床（UASB）反应器。目前，UASB已成为应用最广泛的厌氧处理方法选择废水（物）厌氧处理技术的依据有机废水（物），尤其是高浓有机废水（物）的处理方式，主要取决于废水（物）的性质。按性质大致可以分为以下三类：易生物降解的废水（物）主要来自农牧产品和禽畜粪便等，这类废水（物）有机物浓度高，且可利用成分多难生物降解的废水（物）主要来自化学工业、石油工业和炼焦工业等有害有机废水（物）主要来自化学工业和发酵工业等。这类有机物可能是易于生物降解的，但由于废水中含有某些有害物质，对微生物有毒害作用废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobicdigestion)。与好氧过程的根本区别：不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。1.2厌氧法的基本原理1.2厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。

1.2厌氧生物处理法的基本原理水解酸化阶段产氢产乙酸阶段产甲烷阶段厌氧发酵的微生物学基础厌氧微生物发酵细菌（不产甲烷厌氧微生物）、产甲烷微生物不产甲烷厌氧微生物包括细菌、真菌和原生动物三大类细菌数量最多，起主要作用大多数为专性厌氧菌，如梭菌属、杆菌属等，有些兼性厌氧菌的数量也很大，如链球菌和肠道细菌废水处理工艺中的厌氧微生物在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷细菌（menthanogens）。表产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh<-350mv(中温)，<-560mv(高温)<-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃厌氧法的基本原理厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）

乙酸化阶段甲烷化阶段1.3厌氧生物处理法的影响因素

温度pH有毒物质营养物质的配比搅拌1.温度因素温度与有机物负荷、产气量关系见下图。厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化（10~30℃）、中温消化（35℃左右）和高温消化（54℃左右）。由于发酵系统中的CO2分压很高（20.3~40.5kPa），发酵液的实际pH值比在大气条件下的实测值为低。一般认为，实测值应在7.2~7.3之间为好。pH值是影响厌氧消化微生物生命活动过程的最重要因素之一。这个pH值范围是指反应器内反应区的pH值，而不是进液的pH值。反应器出液的pH值一般等于或接近反应器内的pH值。厌氧微生物对pH值的波动很敏感，即使在其适宜生长的pH值区域内，pH值的迅速改变也对细菌的生长产生重要影响，使其代谢活动明显下降产酸菌能适应的pH值范围较宽，最适宜pH值范围是6.5-7.0，此时，其生化能力最强。甲烷菌能适应的pH值范围较窄，当pH值范围是6.5-7.5，产甲烷菌有较强的活性。实践表明，各种产甲烷菌在不同环境中所需最适pH值各不相同。在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5～7.5(最好在6.8～7.2)的范围内。2、pH值3.有毒物质重金属离子和某些阴离子重金属离子对厌氧过程的抑制作用主要表现为：重金属离子与某些酶结合，使酶失去活性，使某些生化代谢不能进行某些重金属及其氢氧化物的凝聚作用，使某些酶产生沉淀阴离子毒害作用较大的是硫化物硫化物浓度大于100mg/L时，对甲烷菌有抑制作用硫化物多的另一个危害会使沼气中的H2S含量增加，不利于沼气的利用。对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～45004.营养与环境条件污泥或污水中有机物的C/N对厌氧处理过程有很大影响一般认为，C/N以（10-20）：1为宜废水、污泥及废料中的有机物种类繁多，只要未达到抑制浓度，都可连续进行厌氧生物处理。对生物可降解性有机物的浓度并无严格限制，但若浓度太低，比耗热量高，经济上不合算；水力停留时间短，生物污泥易流失，难以实现稳定的运行。一般要求COD大于1000mg/L。

COD∶N∶P=200∶5∶15.搅拌搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。1.4厌氧生物处理法的特点

污染物可作为能源回收利用，1KgBOD5相当0.45Kg石油（0.35m3沼气）厌氧处理不需要曝气，节省能耗，为好氧处理的1/7。产生的污泥量少且稳定，为好氧处理的1/5～1/10。营养要求低，BOD:N:P=200:5:1。厌氧污泥的活性可保持数日或数年而不衰退。容积负荷高（10～15KgBOD/m3·d）适合处理高浓度废水。许多在好氧工艺中难以降解的复杂有机物可以顺利降解。病原体在高温厌氧中被迅速杀灭。对温度、PH、毒物等环境因素比好氧处理敏感。处理不彻底，直接达标排放较难。优点：（1）应用范围广好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。（2）能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源,1KgBOD5相当0.45Kg石油（0.35m3沼气）优点：（3）负荷高通常好氧法的有机容积负荷为2-4kgBOD/(m3·d)，而厌氧法为2-10kgCOD/(m3·d)，高的可达50kgCOD/(m3·d)。（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好好氧法每去除lkgCOD将产生0.4-O.6kg生物量，而厌氧出去除lkgCOD只产生0.02-0.lkg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％-20％，减少剩余污泥处置费用。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。（5）氮、磷营养需要量较少好氧法一般要求COD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的COD:N:P为200-300:5:1优点（6）有杀菌作用厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。（7）污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。（8）无尾气污染（9）较小的反应器容积对温度、PH、毒物等环境因素比好氧处理敏感。处理不彻底，直接达标排放较难。为增加反应器内生物量启动时间长含有SO42-的废水会产生硫化物和气味无硝化作用低温下动力学速率底厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长；出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。厌氧过程会产生气味对空气有污染缺点厌氧流化床和好氧工艺的比较厌氧流化床好氧工艺反应器容积m38446434.5表面积m283.61394.5耗电（kWh/d）7208600全年电费（$烷产量（m3/d）2038.80年产甲烷价值（$）1500000年污泥量（t）1801800厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。1.5厌氧生物处理法的分类1.进料口7.活动盖板2.出料间3.隔墙4.发酵间5.贮气箱6.导气管1.厌氧消化池

第一代厌氧反应器特点：工艺传统负荷低处理效率不高不经济普通消化池又称传统或常规消化池。消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。

1、普通厌氧消化池

普通厌氧消化池

在一个消化池内进行酸化，甲烷化和固液分离。设备简单。反应时间长，池容积大。污泥易随水流带走，消化器内难以保持大量的微生物细胞。搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。容积负荷为2~6kgCOD/m3•d圆筒形厌氧消化池

蛋形厌氧消化池厌氧反应器的池形普通消化池的特点是:

可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。温度不均匀，消化效率低厌氧接触系统普通消化池用于处理高浓度有机废水时，为了强化有机物与池内厌氧污泥的充分接触，必须连续搅拌；同时为了提高处理效率，必须改间断进水排水为连续进水排水。但这样一来，会造成厌氧污泥的大量流失。为了克服这一缺点，可在消化池后串联一个沉淀池，将沉淀下的污泥又送回消化池，因此组成了厌氧接触系统。污泥回流量约为进水流量的2~3倍。消化池内的MLVSS为6~10g/L。2、厌氧接触法2、厌氧接触法

用沉淀池分离污泥并进行回流。消化池中进行适当搅拌，池内呈完全混合。能适应高有机物浓度和高悬浮物的废水。有一定抗冲击负荷能力，运行较稳定，不受进水悬浮物的影响。负荷高时污泥会流失。设备较多，操作上要求较高。污泥浓度10~15g/L，容积负荷2~10kgCOD/m3•d。厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水（如肉类加工废水等）效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。据报道，肉类加工废水（BOD5约1000～1800mg/L）在中温消化时，经过6-12h（以废水人流量计）消化，BOD5去除率可达90%以上。厌氧接触法的特点:

（a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10～15g/L，耐冲击能力强（b）消化池的容积负荷较普通消化池高；（c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；（d）混合液经沉降后，出水水质好；（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；（f）厌氧接触法在处理高浓有机废水和污泥等固体废弃物的处置方面获得较为广泛的应用

缺点：气泡黏附在污泥上，影响污泥的沉降；可以处理含有少量悬浮物的废水，但对悬浮物浓度较高的废水，在厌氧接触工艺之前必须采用分离预处理3.厌氧滤池厌氧滤池，又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。厌氧生物滤池的组成

厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。

根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式，即分别如下图所示：

微生物附着生长在滤料上，平均停留时间可长达100d左右。滤料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，粒径在40m左右，也可使用塑料填料。塑料填料具有较高的空隙率，重量也轻，但价格较贵。滤料不同，负荷有很大区别根据对一些有机废水的试验结果，当温度在25℃一35℃时，在使用拳状滤料时，体积负荷率可达到3～6kgCOD/m3·d；在使用塑料填料时，体积负荷率可达到3-10kgCOD/m3·d。升流式和降流式厌氧生物滤池厌氧生物滤池的特点是：

由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2～16

kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强；不需另设泥水分离设备，出水SS较低废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；（c）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重，生物膜很厚。堵塞后，没有简单有效的清洗方法。因此不适用于处理悬浮物高的废水。适用于处理含悬浮物很低的溶解性有机物污染的废水

厌氧生物滤池的特点及改进：厌氧生物滤池采取如下改进：（a）出水回流；（b）部分充填载体；（c）采用软性填料。4、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）消化和固液分离在一个池内。微生物量特高。负荷率高(10~20kgCOD/m3•d)。总容积小。能耗低，不需搅拌。污泥浓度可达40~80g/L。5、厌氧流化床

厌氧流化床工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。

流化床操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大流态化速度。上升流速应控制在1.2～1.5倍临界流化速度。

图15-7厌氧流化床工艺流程厌氧流化床特点：（1）载体颗粒细，比表面积大，可高达2000～3000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为10～40kgCOD/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；（2）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（3）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速（4）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（5）结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。

为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取如下措施：（1）间歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，呈流化床运行；（2）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径20-30μm、相对密度1.05～1.2g/cm3的载体。保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态化。6.分段厌氧处理法根据消化可分阶段进行的事实，研究开发了二段式厌氧处理法，将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内进行，以使两类微生物都能在各自的最适条件下生长繁殖。第一段功能：水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态物质。反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行第二段功能：保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。按照所处理的废水水质情况，两步可以采用同类型或不同类型的消化反应器。二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合。例如对悬浮物高的工业废水，采用厌氧接触法与上流式厌氧污泥床反应器串联的组合已经有成功的经验，其流程如下图热交换器:被废水加热到需要的温度水解产酸反应，控制条件之产生脂肪酸，尽量不产生沼气沉淀分离，去除不溶性有机物产甲烷阶段，使第一步反应产生的有机酸生成甲烷和二氧化碳等最终产物两步厌氧法具有如下特点:

（a）耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺陷；（b）两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件。（c）消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水（d）但两步法设备较多，流程和操作复杂。二段式厌氧处理法具有运行稳定可靠，能承受pH值、毒物等的冲击，有机负荷率高，消化气中甲烷含量高等特点；但这种方法也有设备较多，流程和操作复杂等缺陷。研究表明，二段式并不是对各种废水都能提高负荷率。例如，对于固态有机物低的废水，不论用一段法或二段法，负荷率和效果都差不多。第二节：上流式厌氧污泥床（UASB）反应器2.1UASB反应器结构UASB反应器总体结构及运行流程污泥床污泥悬浮层沉淀区三相分离器布水系统上流式厌氧污泥床反应器

上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。由反应区(reactionregion)、沉淀区(settlingregion)和气室(gascollectiondome)三部分组成。在反应器的底部是浓度较高的污泥层，称污泥床，在污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层，通常把污泥层和悬浮层统称为反应区，在反应区上部设有气、液、固三相分离器。升流式厌氧污泥床反应器（UASB）三相分离器布水系统污泥床UASB反应器的基本构造和工作原理

在反应器上部设置气、固、液三相分离器，下部为污泥悬浮层区和污泥区，废水从反应器底部流入，向上流至反应器顶部流出。UASB反应器的工作原理废水被尽可能均匀的引入到UASB反应器的底部，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水与污泥颗粒的接触过程，反应产生的沼气引起了内部的循环。附着和没有附着在污泥上的沼气向反应器顶部上升，碰击到三相分离器气体发射板，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，气体被收集到反应器顶部的三相分离器的集气室。一些污泥颗粒会经过分离器缝隙进入沉淀区。

工业级UASB装置钢制圆形结构混凝土方形结构UASB特点反应器内污泥浓度较高。一般平均污泥浓度为30～40g/L，污泥床中的污泥以活性生物量占70-80％的颗粒污泥为主；1有机负荷较高，水力停留时间大大缩短。中温消化，COD容积负荷一般为10-20kgCOD/（m3·d）；2反应器内设三相分离器。被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；3无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；4污泥床内不填载体。节省造价及避免堵塞问题；5反应器内有短流现象，影响处理能力；6